Hur upprätthåller högtemperaturtermistorer stabilitet vid extrema temperaturer?

Pålitlig drift bortom 300 °C med hjälp av keramiska kompositer och dopade metalloxider

Termistorer för höga temperaturer använder specialceramiska kompositer (specifikt dopade övergångsmetallocider med mangan-nickel-koboltsystem (MNC)) med strukturer som är optimerade för pålitlig drift vid temperaturer över 300 grader Celsius. All halvledaraktivitet är begränsad till en specifik kristallstruktur där jonrörelse inte är särskilt fri. Överskott av sällsynta jordartsmetaller i blandningen stabiliserar sammansättningen inom termistorn, vilket leder till förbättrad termisk känslighet. Termistorillverkare rapporterar att, om rätt kemisk sammansättning används, kommer deras termistorer att ha en motståndsändring på mindre än 0,5 % efter 5 000 termiska cykeltester (enligt ASTM-standarder). Styrning av bubbelstabilisatorer från ittria-stabiliserad zirkonia och sintring i en syrrik miljö hjälper till att uppnå den önskade mikrostrukturen. Denna mikrostruktur gör det möjligt för termistorerna att ha en mycket låg beständighet mot sprickbildning orsakad av termisk spänning vid exponering för extrem termisk cykling.

Utmaningar med värme-sammansmältning av komponenter över tid: Kristallers avsättning  

Kristallin avsättning har visat sig vara problematisk när ett fast ämne upphettas till en tillräckligt hög temperatur under en längre tid. En ledande motåtgärd mot detta problem kallas flerskikts-samfyrning. Vid flerskikts-samfyrning sammansmälts flera lager av termistorer samt isolering i en enda sintringscykel (cirka 1 400 grader Celsius) för att bilda en homogen, monolitisk enhet som avsiktligt är utformad för att motverka mekanisk spänning. De nyaste konstruktionerna har visat sig minska den interna mekaniska spänningen (inom enheten) till under 50 procent av den mängd som är typisk (medelspänning) för enheter tillverkade med konventionell vertikal stapling (mätningar av postprocessspänning på samfyrade enheter utfördes i enlighet med IEC 60539). Efter samfyrning utsätts enheten för hermetisk aluminainkapsling för att skapa en vakuumtät (heliumtät) försegling. Testresultat visar en heliumläckhastighet på < 1 × 10⁻⁸ atm cm³/sec, vilket förhindrar att gaser (drift) tränger in i inkapslingen vid temperaturer över 250 grader Celsius. Utvidgningskoefficienterna för inkapslingsmaterialet (alumina) och termistormaterialet är nästan identiska (inom ± 1,5 ppm/°C), vilket hjälper till att undertrycka rörelsen av korngränser med ≥ 80 procent (efter en lång driftstid).

Dessa tekniker innebär att komponenter kan bibehålla sin noggrannhet med en avvikelse på mindre än 2 % under 10 000 timmar vid full driftstemperatur.

Termisk stabilitetsprestanda under verkliga belastningsförhållanden

Högtemperaturtermistorer måste inte bara bibehålla sin noggrannhet i laboratoriemiljö, utan även under de kombinerade påverkan av termisk cykling, kemisk attack och mekanisk vibration i verkliga scenarier.

Långtidssvängningsmått: Motståndsändring på mindre än 2 % efter 5 000 timmar vid 250 °C (IEC 60751-2)

IEC 60751-2 specificerar tillförlitlighetsstandarder som de flesta företag hoppas uppnå. När negativ driftspecificeringar beskrivs sägs sensorer som upplever en motståndsdrift på mindre än 2 % ha behållit denna drift efter kontinuerlig användning i 5 000 timmar vid 250 grader Celsius. För att verifiera dessa specifikationer utför tillverkare accelererade åldringstester som simulerar den miljö där utrustningen kommer att användas. Dessa tester inkluderar flera klimatkamrar för att simulera olika miljöer (t.ex. varma och fuktiga) samt drift av utrustningen vid full effekt för att överskrida specifikationerna. Utrustningens driftstemperatur cykleras också snabbt (t.ex. till 300 grader inom mindre än en minut). För att uppnå dessa resultat arbetar tillverkare med material som har stabila kristallstrukturer. Framställningen av dessa material kräver specifik dopning, noggrann glödning för att minska uppkomna spänningar samt en korrekt fastlagd mikrostruktur för att uppnå den önskade slutprodukten.

Kompromisser mellan svarstid och noggrannhet vid termisk övervakning av växelriktare med hög effekt

Att välja en lämplig termistor vid arbete med högeffektsomvandlare (>200 grader Celsius) kräver avvägningar mellan svarstid och mätningarnas noggrannhet. Tjockfilmsensorer ger svarstider på under en halv sekund, vilket är ganska bra, men de har en noggrannhetsdrift på cirka 1,5 grader Celsius vid snabba lastförändringar. I motsats till detta har vissa termistorperlor som är nedsänkta i skyddande beläggningar en noggrannhet på 0,3 grader Celsius även vid snabba temperaturförändringar på över 50 grader Celsius per sekund, men deras svarstider är >3 sekunder. Vid skyddelement i IGBT:er är konsekvenserna av ett fel mycket allvarliga och kan leda till onödiga systemavstängningar eller, tvärtom, överhettning och förstöring av komponenten. De flesta ingenjörer betraktar denna typ av systemdesign och mätningarnas noggrannhet som en mer kritisk parameter än reaktionstiden.

Tillämpningar av högtemperaturtermistorer: Övervakning och skydd

PTC-övertemperaturavbrytare för motorlindningar med skarpa växlingspunkter (120 °C – 200 °C)

För ett ökande antal industriella motorer blir PTC-termostatresistorer alltmer avgörande som interna skyddsanordningar för lindningar i industriella motorer. Dessa komponenter är små och har vid stillastående tillfälle låg resistans. När en viss temperaturtröskel (vanligtvis mellan 120 och 200 °C) uppnås ökar de kraftigt sin resistans och bryter den elektriska kretsen för att förhindra ytterligare temperaturstegring och undvika skador. De är konstruerade så att de inte cyklar på och av vid varje temperatursänkning och temperaturhöjning. I fallet med servomotorer, som kan fungera normalt vid omkring 150 °C, är de flesta PTC-termostatresistorer som används för skydd noggranna inom ±5 % under tusentals uppvärmnings- och svalningscykler. Detta är ett accepterat krav för överensstämmelse med IEC 60751-2. De är tillverkade av slitstarka keramiska material, vilket gör att de kan tåla krävande miljöer där vibration förekommer. På grund av dessa egenskaper kan PTC-termostatresistorer erbjuda pålitlig termisk skydd utan att kräva ytterligare sensorer eller styrsystem.

Felmekanismer och åtgärdsstrategier för temperaturgivare för höga temperaturer

Höga temperaturer medför specifika felmekanismer för temperaturgivare. Dessa inkluderar upprepad termisk cykling, vilket orsakar differentiell mikrospäckning på grund av olika utvidgningsgrad; värmeinducerade förändringar av resistiva egenskaper på grund av accelererad oxidation; tätningsmaterial som bryts ner och förskjuter kalibreringen på grund av föroreningar; samt trötthet i lödanslutningar, vilket är en av de främsta orsakerna till elektromekaniska fel på grund av vibration.

Vi måste börja med materialen för att förbättra minskningsstrategierna. Ta till exempel dopade keramiska material, som kan hindra den besvärliga omarrangemangen av kristallstrukturer. Det finns också metallhus som är svetsade med laser och som ger nästan ideal tätning mot miljöpåverkan. Det finns även mellanlager av molybdendisilicid som fungerar som buffert för olika material som expanderar i olika takt beroende på temperaturen. Förutom andra metoder föredras guldtrådsanslutning framför aluminium eftersom guld är bättre än aluminium vid temperaturer över +400 °C, vid vilka guld, metalltråden eller andra material går sönder. Moderna lösningar som är överlägset bättre är dock de som inte enbart bygger på strukturella komponenter. Till exempel kan ingenjörer upptäcka skador innan de sprider sig genom inbäddad resistansövervakning. I dessa fall är den prediktiva karaktären hos tillvägagångssättet idealisk, eftersom det är avgörande i applikationer utan redundanser.

Vanliga frågor  

Vilka material används i högtemperaturtermistorer?

Högtemperaturtermistorer tillverkas vanligtvis av keramik eftersom de kan framställas av dopade övergångsmetallocidsystem som bygger på mangan, nickel och kobolt, och är att föredra för lägre felrate vid höga temperaturer.

Vad betyder flerskiktskoeldning i samband med termistorer?
Vid flerskiktskoeldning smälts växlande lager av termistorer och isoleringslager samtidigt i en enda koeldningsprocess, vilket skapar monolitiska strukturer som bättre kan ta upp töjning jämfört med konventionella metoder.

Hur skyddar PTC-termistorer motorlindningar?
PTC-termistorer ger självskydd genom att öka sin resistans till den grad att kretsen avbryts för att förhindra ytterligare skada.